Машина Атвуда

Зображення машини Атвуда, 1905.

Маши́на А́твуда — прилад для проведення лабораторних експериментів для перевірки механічних законів руху з незмінним прискоренням. Названа на честь винахідника Джорджа Атвуда.

Ідеальна машина Атвуда складається з двох об'єктів мас m₁ і m₂, пов'язаних нерозтяжною, невагомою ниттю, перекинутою через ідеальний невагомий блок.

Коли m₁ = m₂, машина перебуває в байдужій рівновазі незалежно від положення вантажів.

Коли m₁ ≠ m₂, обидві маси зазнають прискорення.

Вираз для сталого прискорення

Діаграми вільних тіл для двох вислих мас машини Атвуда. Наша домовленість про знаки, виражена через вектори прискорення, така, що m₁ прискорюється додолу, а m₂ — догори, як було б у випадку, коли m₁ > m₂

Ми можемо отримати рівняння для прискорення через використання аналізу сил. Якщо ми розглядаємо невагому, нерозтяжну нить і ідеальний невагомий блок, то сили, які ми повинні врахувати: сила розтягу (T) і вага обох мас (W₁ і W₂). Для обчислення прискорення нам треба розглянути сили, що впливають на кожен вантаж індивідуально. Використовуючи другий закон Ньютона (за умови $m_1>m_2$), ми можемо вивести систему рівнянь для прискорення (a).

Ми прийняли, що для $m_1$ a додатне, коли спрямоване додолу, а для $m_2$ — коли догори. Ваги $m_1$ і $m_2$ це просто $W_1=m_{1}g$ і $W_2=m_{2}g$ відповідно.

Сили, що впливають на m₁:

$m_{1}g-T=m_{1}a$

Сили, що впливають на m₂:

$T-m_{2}g=m_{2}a$

Додаючи два попередні рівняння, отримуємо

$m_{1}g-m_{2}g=m_{1}a+m_{2}a$,

і наша заключна формула для прискорення

$a=g\frac{m_1-m_2}{m_1+m_2}$

Також прискорення, спричинене гравітацією, можна знайти, вимірявши час руху вагів і обчисливши значення для постійного прискорення a: $d=\frac{1}{2}a{t}^2$.

Машину Атвуда іноді використовують для ілюстрації методу Лагранжа отримання рівняння руху.

Рівняння для розтягу

Математична модель хитної машини Атвуда

Може бути корисним знати рівняння для ниті. Для обчислення розтягу ми підставляємо рівняння для прискорення в одне з двох силових рівнянь.

$a=g\frac{m_1-m_2}{m_1+m_2}$

Наприклад, підставляючи в $m_{1}a=m_{1}g-T$, ми отримуємо

$T=\frac{2g{m}_1{m}_2}{m_1+m_2}$

Рівняння для блока з інерцією і тертям

Для дуже малих різниць між m₁ і m₂, обертовою інерцією I блока радіуса r не можна знехтувати. Кутове прискорення блока за умови, що нить не проковзує по блоку, таке:

$\alpha =\frac{a}{r},$

де $\alpha$ — це кутове прискорення. Тоді сумарний крутильний момент:

${\tau }_{net}=(T_1-T_2)r-{\tau }_{friction}=I\alpha$

Комбінуючи з другим законом Ньютона для вислих мас і розв'язуючи для T₁, T₂ і a, маємо:

Прискорення:

$a=\frac{g(m_1-m_2)-\frac{{\tau }_{friction}}{r}}{m_1+m_2+\frac{I}{r^2}}$

Розтяг у сегмент ниті поблизу m₁:

$T_1=\frac{m_{1}g(2m_2+\frac{I}{r^2}+\frac{{\tau }_{friction}}{rg})}{m_1+m_2+\frac{I}{r^2}}$

Розтяг у сегмент ниті поблизу m₂:

$T_2=\frac{m_{2}g(2m_1+\frac{I}{r^2}+\frac{{\tau }_{friction}}{rg})}{m_1+m_2+\frac{I}{r^2}}$

Якщо тертя вальниці дуже мале (але не інерція блока), ці рівняння спрощуються до такого вигляду:

Вагончики Київського фунікулера

Прискорення:

$a=\frac{g(m_1-m_2)}{m_1+m_2+\frac{I}{r^2}}$

Розтяг у сегмент ниті поблизу m₁:

$T_1=\frac{m_{1}g(2m_2+\frac{I}{r^2})}{m_1+m_2+\frac{I}{r^2}}$

Розтяг у сегмент ниті поблизу m₂:

$T_2=\frac{m_{2}g(2m_1+\frac{I}{r^2})}{m_1+m_2+\frac{I}{r^2}}$

Практичне застосування

Ліфти використовують противагу, нагадуючи машину Атвуда, і таким чином звільняють тяговий мотор від навантаження необхідного для підтримки кабіни ліфта, тож мотору потрібно подолати лише різницю у вазі та інерцію двох мас. Цей самий принцип перейняли у фунікулерах, де використовують два вагони на похилих коліях.